Ультратонкие солнечные элементы получили толчок к развитию

Используя сверхъяркие рентгеновские лучи источника Advanced Photon Source, исследователи установили, что сам солнечный свет может повысить эффективность двумерных материалов, используемых для сбора солнечной энергии.

Группа исследователей под руководством Университета Райса достигла нового уровня в разработке атомарно тонких солнечных элементов из полупроводниковых перовскитов, повысив их эффективность при сохранении способности противостоять воздействию окружающей среды.

Эффективность перовскитов резко возросла

Адитья Мохите из Университета Райса и его коллеги обнаружили, что сам солнечный свет сжимает пространство между атомными слоями в двумерных перовскитах настолько, что повышает фотоэлектрическую эффективность материала на 18%, что является поразительным скачком в области, где прогресс часто измеряется долями процента.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

"За 10 лет эффективность перовскитов резко возросла с 3% до более чем 25%", - говорит Мохите. "У других полупроводников на это ушло около 60 лет. Вот почему мы так взволнованы".

"Точно так же, как ваш механик хочет запустить ваш двигатель, чтобы увидеть, что происходит внутри него, мы хотим, по сути, снять видео этого преобразования вместо одного снимка. Такие установки, как APS, позволяют нам это сделать". - Джо Стрзалка, Аргоннская национальная лаборатория

Для подтверждения открытия группа использовала ресурсы Advanced Photon Source (APS), пользовательской установки Управления науки Министерства энергетики США (DOE) в Аргоннской национальной лаборатории DOE. Исследование было недавно опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.

Перовскиты - это соединения, имеющие кубическую кристаллическую решетку и являющиеся высокоэффективными поглотителями света. Их потенциал известен уже много лет, но они представляют собой загадку: они хорошо преобразуют солнечный свет в энергию, но солнечный свет и влага разрушают их.

"Ожидается, что технология солнечных элементов будет работать в течение 20-25 лет", - говорит Мохите. "Мы много лет работали и продолжаем работать с объемными перовскитами, которые очень эффективны, но не так стабильны. Напротив, двумерные перовскиты обладают огромной стабильностью, но недостаточно эффективны, чтобы установить их на крыше. Большая проблема заключается в том, чтобы сделать их эффективными без ущерба для стабильности".

Инженеры Райс и их коллеги из университетов Пердью и Северо-Западного; национальных лабораторий Министерства энергетики США в Лос-Аламосе, Аргонне и Брукхейвене; Института электроники и цифровых технологий (INSA) в Ренне, Франция, обнаружили, что в некоторых двумерных перовскитах солнечный свет эффективно сокращает пространство между атомами, улучшая их способность проводить ток.

"Мы обнаружили, что когда вы освещаете материал, вы как бы сжимаете его, как губку, и сближаете слои, усиливая перенос заряда в этом направлении", - сказал Мохите. Исследователи обнаружили, что размещение слоя органических положительных ионов между йодидом сверху и свинцом снизу усиливает взаимодействие между слоями.

"Эта работа имеет значительные последствия для изучения возбужденных состояний и квазичастиц, в которых положительный заряд находится на одном слое, а отрицательный - на другом, и они могут общаться друг с другом", - сказал Мохите. "Это так называемые экситоны, которые могут обладать уникальными свойствами".

Чтобы наблюдать сжатие материала в действии, команда воспользовалась двумя установками Управления по науке Министерства энергетики: Национальным источником синхротронного излучения II в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики и APS.

Физик Джо Стрзалка, соавтор статьи, использовал сверхъяркие рентгеновские лучи APS, чтобы в режиме реального времени фиксировать мельчайшие структурные изменения в материале. Чувствительные приборы на линии 8-ID-E APS позволяют проводить исследования "operando", то есть исследования, проводимые в то время, когда устройство подвергается контролируемым изменениям температуры или окружающей среды в нормальных условиях эксплуатации. В данном случае Стрзалка и его коллеги подвергли фотоактивный материал солнечной батареи воздействию имитированного солнечного света при сохранении постоянной температуры и наблюдали крошечные сокращения на атомном уровне.

В качестве контрольного эксперимента Стрзалка и его соавторы также держали комнату в темноте и повышали температуру, наблюдая обратный эффект - расширение материала. Это показало, что трансформацию вызвал сам свет, а не выделяемое им тепло.

Для подобных изменений важно проводить исследования в режиме "operando", - говорит Стрзалка. "Точно так же, как ваш механик хочет запустить ваш двигатель, чтобы увидеть, что происходит внутри него, мы хотим, по сути, снять видео этой трансформации вместо одного снимка. Такие установки, как APS, позволяют нам это сделать".

Эксперименты были подтверждены компьютерными моделями коллег из Франции. "Это исследование предоставило уникальную возможность объединить современные методы моделирования, исследования материалов с использованием крупномасштабных национальных синхротронных установок и натурных характеристик работающих солнечных батарей", - сказал Жаки Эвен, профессор физики в Национальном институте прикладных наук. "В работе впервые показано, как явление перколяции внезапно освобождает ток заряда в перовскитовом материале".

Оба результата показали, что после 10 минут пребывания под солнечным симулятором при одной интенсивности солнечного излучения двумерные перовскиты сжались на 0,4% по длине и примерно на 1% сверху вниз. Они продемонстрировали, что эффект может проявиться через одну минуту при пятикратной интенсивности солнечного излучения.

"Это звучит не так уж и много, но это сокращение расстояния между решетками на 1% вызывает значительное усиление потока электронов", - сказал аспирант и соавтор исследования Венбин Ли. "Наше исследование показывает трехкратное увеличение проводимости электронов в материале".

В то же время структура решетки сделала материал менее склонным к разрушению, даже при нагревании до 80 градусов Цельсия. Исследователи также обнаружили, что решетка быстро восстанавливает свою нормальную конфигурацию после выключения света.

"Одна из главных привлекательных черт двумерных перовскитов заключается в том, что они обычно имеют органические атомы, которые действуют как барьеры для влаги, термически стабильны и решают проблемы миграции ионов", - сказал аспирант Университета Райса и соавтор исследования Сирадж Сидхик. "3D-перовскиты склонны к тепловой и световой нестабильности, поэтому исследователи начали наносить 2D-слои поверх объемных перовскитов, чтобы посмотреть, смогут ли они получить лучшее из того и другого. Мы подумали: давайте перейдем только на 2D и сделаем их эффективными".

Стрзалка отметил, что в настоящее время APS находится в процессе серьезной модернизации, которая увеличит яркость рентгеновских лучей в 500 раз. По его словам, когда она завершится, более яркие лучи и более быстрые и четкие детекторы позволят ученым с еще большей чувствительностью заметить эти изменения.

Это может помочь команде из Райса подкорректировать материалы для достижения еще более высоких характеристик.

"Мы находимся на пути к достижению эффективности более 20%", - сказал Сидхик. "Это изменит все в области перовскитов, потому что тогда люди начнут использовать 2D перовскиты для тандемов 2D перовскит/кремний и 2D/3D перовскитов, что может обеспечить эффективность, приближающуюся к 30%. Это сделало бы его привлекательным для коммерциализации". опубликовано econet.ru по материалам scitechdaily.com

Лучшие публикации в Telegram-канале Econet.ru. Подписывайтесь!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet